CN106788740A - 光纤通信系统中的自适应非线性均衡器及方法 - Google Patents

光纤通信系统中的自适应非线性均衡器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤通信系统中的自适应非线性均衡器及方法，涉及光纤通信领域。该自适应非线性均衡器包括N个非线性补偿模块、(N+N2)/2个色散补偿模块、一个抽头系数计算模块和一个加法器，N为大于1的正整数，非线性补偿模块的输入为A时，输出为|A|2*A；非线性补偿模块用于：补偿信号在光纤中传输过程中累积的非线性效应；色散补偿模块用于：补偿信号在光纤中传输的色散；抽头系数计算模块用于：采用自适应算法，通过迭代计算非线性均衡器的最佳抽头系数；加法器用于：将均衡器的各个支路的输出相加，得到最终经过补偿的信号。本发明能同时补偿信号在光纤中传输带来的色散和非线性效应的影响，并解决一部分NSNI的问题。

Description

光纤通信系统中的自适应非线性均衡器及方法
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体是涉及一种光纤通信系统中的自适应非线性均衡器及方法。
背景技术
光纤通信一直朝着更高通信容量、更长通信距离的方向发展，而如今限制信号速率进一步提高、传输距离进一步延长的因素，即为光纤中的非线性效应，以及这些非线性效应与光放大器的ASE(Amplified Spontaneous Emission，放大的自发辐射噪声)噪声之间相互作用带来的传输损伤。光纤中的非线性效应主要为克尔效应和受激散射，克尔效应包括自相位调制SPM(Self-Phase Modulation，自相位调制)、XPM(Cross-phase Modulation，交叉相位调制)和FWM(Four Wave Mixing，四波混频)，受激散射包括SBS(StimulatedBrillouin Scattering，受激布里渊散射)和SRS(Stimulated Raman Scattering，受激拉曼散射)。在单载波通信系统中，影响信号的非线性效应主要是SPM、带内FWM和ASE噪声在非线性作用下对信号产生的干扰NSNI(Nonlinear Signal-Noise Interference，非线性噪声-信号相干)；在DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分复用)系统中，除了要考虑上面的3种非线性，还要考虑带间FWM、受激散射。由于非线性效应的存在，当信号功率增加到一定值后，信号的性能反而会下降，这就是所谓的非线性香农极限，为了获得更大的通信容量，必须对信号进行非线性补偿，以提高甚至突破非线性香农极限。
目前主流的非线性补偿方法均为电补偿，即在接收端将光信号转化为电信号，经过ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)采样后，再进行数字信号处理，如非线性均衡、DBP(Digital Backpropagation，数字背向传输)算法等等，但传统的非线性均衡和DBP算法只能部分地解决SPM、XPM效应，无法解决NSNI的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种光纤通信系统中的自适应非线性均衡器及方法，能够同时补偿信号在光纤中传输带来的色散和非线性效应的影响，并解决一部分NSNI的问题。
本发明提供一种光纤通信系统中的自适应非线性均衡器，该自适应非线性均衡器的接收端与模数转换器相连，该自适应非线性均衡器包括N个非线性补偿模块、(N+N2)/2个色散补偿模块、一个抽头系数计算模块和一个加法器，N为大于1的正整数，非线性补偿模块的输入为A时，输出为|A|2*A；
所述非线性补偿模块用于：补偿信号在光纤中传输过程中累积的非线性效应；
所述色散补偿模块用于：补偿信号在光纤中传输的色散；
所述抽头系数计算模块用于：采用自适应算法，通过迭代计算非线性均衡器的最佳抽头系数；
所述加法器用于：将均衡器的各个支路的输出相加，得到最终经过补偿的信号。
在上述技术方案的基础上，所述自适应非线性均衡器接收到经过模数转换的数字信号，(N+N2)/2个色散补偿模块CD对该数字信号依次进行长度为的光纤色散补偿，光纤分为N段，其中L为信号传输的光纤的总长度，N为分段数，得到N个经过不同程度色散补偿的信号(A1，A2，...，AN)；
N个非线性补偿模块对前面得到的N个信号A1、A2、…、AN进行非线性补偿的运算：A′i＝|Ai|2×Ai，i＝1,2,…，N，得到(A′1，A′2，...，A′N)，此处(A′1，A′2，...，A′N)为一个中间量，表示信号在光纤传输过程中非线性的强度；
对(A′1，A′2，...，A′N)进行剩余的色散补偿，具体操作为：对A′i进行长度为的色散，最终得到(A″1，A″2，...，A″N)，(A″1，A″2，...，A″N)为非线性均衡器N个支路的输出；
将(A″1，A″2，...，A″N)分别乘以均衡器的抽头系数，然后与完全补偿色散的信号AN相加，得到最佳抽头系数，作为均衡器的输出Aout；
将最佳抽头系数代入均衡器，得到最终输出。
在上述技术方案的基础上，所述均衡器的抽头系数由自适应算法决定，自适应算法的流程为：
S401、设定一组非线性均衡的N个初始抽头系数(γ1，γ2，...，γN)0，代入均衡器，得到输出Aout0；
S402、在S401初始设定的抽头系数上增加一个微小的量，得到另外一组抽头系数(γ1，γ2，...，γN）1，将(γ1，γ2，...，γN)1代入均衡器，得到输出Aout1；
S403、计算Aout0和Aout1的代价函数，用CF(Aout0)和CF(Aout1)表示：CF(A)＝σ2(|A|2)，其中，σ2为方差，||为取模运算，此处A取Aout0或Aout1；
S404、计算代价函数的梯度：
其中，为代价函数CF的梯度；
S405、抽头系数更新，由一组抽头系数(γ1，γ2，...，γN)1推出新的抽头系数(γ1，γ2，...，γN)2：
其中u为步长；
S406、重复S403到S405的步骤，进行迭代，从(γ1，γ2，...，γN)2一直递推到(γ1，γ2，...，γN)2，直到满足以下条件，迭代终止：CF(AN)＜ε，其中，ε为设定的阈值，得到(γ1，γ2，...，γN)N；
S407、S406得到的(γ1，γ2，...，γN)N即为最佳抽头系数，将其回馈给自适应均衡器。
在上述技术方案的基础上，步骤S402中，所述(γ1，γ2，...，γN)1的计算过程如下：
(γ1，γ2，...，γN)1＝(γ1，γ2，...，γN)0+δ，
上式中，(γ1，γ2，...，γN)0为初始设定的一组抽头系数，δ为一个比较小的数，在初始设定的一组抽头系数中每个系数分别加上δ，即得到(γ1，γ2，...，γN)1。
在上述技术方案的基础上，所述光纤分为N段时，均匀分段，每段长度均为L/N；或者不均匀分段，即N段的长度不相同。
本发明还提供一种应用于上述自适应非线性均衡器的光纤通信系统中的自适应非线性均衡方法，包括以下步骤：
S1、自适应非线性均衡器接收到经过模数转换的数字信号，(N+N2)/2个色散补偿模块CD对该数字信号依次进行长度为的光纤色散补偿，光纤分为N段，其中L为信号传输的光纤的总长度，N为分段数，得到N个经过不同程度色散补偿的信号(A1，A2，...，AN)；
S2、N个非线性补偿模块对步骤S1得到的N个信号A1、A2、…、AN进行非线性补偿的运算：A′i＝|Ai|2×Ai，i＝1,2,…，N，得到(A′1，A′2，...，A′N)，此处(A′1，A′2，...，A′N)为一个中间量，表示信号在光纤传输过程中非线性的强度；
S3、对步骤S2得到的(A′1，A′2，...，A′N)进行剩余的色散补偿，具体操作为：对A′i进行长度为的色散，最终得到(A″1，A″2，...，A″N)，(A″1，A″2，...，A″N)为非线性均衡器N个支路的输出；
S4、将步骤S3得到的(A″1，A″2，...，A″N)分别乘以均衡器的抽头系数，然后与完全补偿色散的信号AN相加，得到均衡器的输出Aout；
S5、将步骤S4得到的最佳抽头系数代入均衡器，得到最终输出。
在上述技术方案的基础上，步骤S4中，均衡器的抽头系数由自适应算法决定，自适应算法的流程为：
S401、设定一组非线性均衡的N个初始抽头系数(γ1，γ2，...，γN)0，代入均衡器，得到输出Aout0；
S402、在S401初始设定的抽头系数上增加一个微小的量，得到另外一组抽头系数(γ1，γ2，...，γN)1，将(γ1，γ2，...，γN)1代入均衡器，得到输出Aout1；
S403、计算Aout0和Aout1的代价函数，用CF(Aout0)和CF(Aout1)表示：CF(A)＝σ2(|A|2)，其中，σ2为方差，||为取模运算，此处A取Aout0或Aout1；
S404、计算代价函数的梯度：
其中，为代价函数CF的梯度；
S405、抽头系数更新，由一组抽头系数(γ1，γ2，...，γN)1推出新的抽头系数(γ1，γ2，...，γN）2：
其中u为步长；
S406、重复S403到S405的步骤，进行迭代，从(γ1，γ2，...，γN）2一直递推到(γ1，γ2，...，γN）N，直到满足以下条件，迭代终止：CF(AN)＜ε，其中，ε为设定的阈值，得到(γ1，γ2，...，γN)N；
S407、S406得到的(γ1，γ2，...，γN)N即为最佳抽头系数，将其回馈给自适应均衡器。
在上述技术方案的基础上，步骤S402中，(γ1，γ2，...，γN）1的计算过程如下：
(γ1，γ2，...，γN）1＝(γ1，γ2，...，γN)0+δ，
上式中，(γ1，γ2，...，γN)0为初始设定的一组抽头系数，δ为一个比较小的数，在初始设定的一组抽头系数中每个系数分别加上δ，即得到(γ1，γ2，...，γN）1。
在上述技术方案的基础上，步骤S1中，光纤分为N段时，均匀分段，每段长度均为L/N；或者不均匀分段，即N段的长度不相同。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明公开了一种用于光纤通信系统中非线性传输损伤补偿的自适应非线性均衡器，该自适应均衡器是在接收端电域中进行的一套算法，包括一个非线性均衡器的结构和自适应算法。其中非线性均衡器包括将接收到的信号进行不同光纤长度的色散补偿，此处不同光纤长度的色散补偿一般来说为系统光纤总长度的1/N到N/N，得到N个经过部分色散补偿的数据和经过完全色散补偿的数据，然后将N个经过部分色散补偿的数据乘以抽头系数，叠加至经过完全色散补偿的信号上；自适应算法的流程为：先设定一组初始的抽头系数，然后在初始的抽头系数上进行一个小的调整，这样会得到两组信号，根据最终信号强度的方差，可以求出信号强度方差随抽头系数变化的梯度，然后用最陡下降法进行迭代，最终得到一组最佳的抽头系数，代入前面的非线性均衡器中，输出最终结果。本发明能够同时补偿信号在光纤中传输带来的色散和非线性效应的影响，并且采用了自适应算法来调整均衡器的抽头系数，可以能在一定程度上，能够同时抑制光纤传输过程中非线性效应带来的传输损伤、以及非线性效应与光纤通信系统中光放大器带来ASE噪声结合所带来的传输损伤。
(2)本发明提出的自适应非线性均衡能够解决一部分NSNI的问题，从而性能要较DBP算法更佳。
附图说明
图1是本发明实施例中自适应非线性均衡器的结构示意图。
图2是本发明实施例中自适应算法的流程图。
图3是未经补偿的信号星座图。
图4是经过自适应均衡后的信号星座图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
为了补偿光纤传输中的非线性损伤、以及非线性效应和ASE噪声结合的传输损伤，本发明实施例提供一种光纤通信系统中的自适应非线性均衡器，该自适应非线性均衡器的接收端与ADC(Analog-Digital Converter，模数转换器)相连，参见图1所示，该自适应非线性均衡器包括N个非线性补偿模块、(N+N2)/2个色散补偿模块CD(Chrome Dispersion，色散)、一个抽头系数计算模块和一个加法器，N为大于1的正整数，非线性补偿模块的输入为A时，输出为|A|2*A，此处A为非线性补偿模块的输入。
非线性补偿模块用于：补偿信号在光纤中传输过程中累积的非线性效应；
色散补偿模块CD用于：补偿信号在光纤中传输的色散；
抽头系数计算模块用于：采用自适应算法，通过迭代计算非线性均衡器的最佳抽头系数；
加法器用于：将均衡器的各个支路的输出相加，得到最终经过补偿的信号。
参见图2所示，本发明实施例还提供一种基于上述自适应非线性均衡器的自适应计算方法，包括以下步骤：
S1、自适应非线性均衡器接收到经过模数转换的数字信号，(N+N2)/2个色散补偿模块CD对该数字信号依次进行长度为的光纤色散补偿，光纤分为N段，其中L为信号传输的光纤的总长度，N为分段数，此处的N与前面的N一致，是同一个量，得到N个经过不同程度色散补偿的信号(A1，A2，...，AN)；
需要注意的是，此处光纤分为N段时，可以均匀分段，每段长度均为L/N；也可以不均匀分段，即N段的长度可以不相同。
S2、N个非线性补偿模块对步骤S1得到的N个信号A1、A2、…、AN进行非线性补偿的运算：A′i＝|Ai|2×Ai，i＝1,2,…，N，得到(A′1，A′2，…，A′N)，此处(A′1，A′2，…，A′N)为一个中间量，表示信号在光纤传输过程中非线性的强度；
S3、对步骤S2得到的(A′1，A′2，…，A′N)进行剩余的色散补偿，具体操作为：对A′i进行长度为的色散，最终得到(A″1，A″2，...，A″N)，(A″1，A″2，...，A″N)为非线性均衡器N个支路的输出；
S4、将步骤S3得到的(A″1，A″2，...，A″N)分别乘以均衡器的抽头系数，然后与完全补偿色散的信号AN相加，得到最佳抽头系数，作为均衡器的输出Aout；
其中，均衡器的抽头系数由自适应算法决定，自适应算法的流程为：
S401、设定一组非线性均衡的N个初始抽头系数(γ1，γ2，…，γN)0，代入均衡器，得到输出Aout0；
S402、在S401初始设定的抽头系数上增加一个微小的量，得到另外一组抽头系数(γ1，γ2，...，γN)1，
(γ1，γ2，…，γN)1的计算过程如下：
(γ1，γ2，…，γN)1＝(γ1，γ2，...，γN)0+δ，
上式中，(γ1，γ2，...，γN)0为初始设定的一组抽头系数，δ为一个比较小的数，如0.1，在初始设定的一组抽头系数中每个系数分别加上δ，即得到(γ1，γ2，…，γN)1；
将(γ1，γ2，...，γN)1代入均衡器，得到输出Aout1；
S403、计算Aout0和Aout1的代价函数，用CF(Aout0)和CF(Aout1)表示：CF(A)＝σ2(|A|2)，其中，σ2为方差，||为取模运算，此处A取Aout0或Aout1；
S404、计算代价函数的梯度：
其中，为代价函数CF的梯度；
S405、抽头系数更新，由一组抽头系数(γ1，γ2，...，γN)1推出新的抽头系数(γ1，γ2，...，γN)2：
其中u为步长；
S406、重复S403到S405的步骤，进行迭代，从(γ1，γ2，...，γN)2一直递推到(γ1，γ2，...，γN)N，直到满足以下条件，迭代终止：CF(AN)＜ε，其中，ε为设定的阈值，得到(γ1，γ2，...，γN)N；
S407、S406得到的(γ1，γ2，...，γN)N即为最佳抽头系数，将其回馈给自适应均衡器。
S5、将步骤S4得到的最佳抽头系数代入均衡器，得到最终输出。
下面将给出本发明提出的自适应均衡器应用的一个实例。信号经过一个双向拉曼放大的系统传输后由相干接收机接收，然后经过ADC采样后成为数字信号，然后经过本发明提出的自适应非线性均衡器处理。双向拉曼系统的参数如表1所示，图3、图4对比了未经过处理的信号星座图和经过自适应非线性均衡器处理的星座图，可以明显地看出，经过自适应非线性均衡后，信号的非线性得到了大部分的补偿。
表1、实验参数设置
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种光纤通信系统中的自适应非线性均衡器，其特征在于：该自适应非线性均衡器的接收端与模数转换器相连，该自适应非线性均衡器包括N个非线性补偿模块、(N+N2)/2个色散补偿模块、一个抽头系数计算模块和一个加法器，N为大于1的正整数，非线性补偿模块的输入为A时，输出为|A|2*A；
所述非线性补偿模块用于：补偿信号在光纤中传输过程中累积的非线性效应；
所述色散补偿模块用于：补偿信号在光纤中传输的色散；
所述抽头系数计算模块用于：采用自适应算法，通过迭代计算非线性均衡器的最佳抽头系数；
所述加法器用于：将均衡器的各个支路的输出相加，得到最终经过补偿的信号。
2.如权利要求1所述的光纤通信系统中的自适应非线性均衡器，其特征在于：所述自适应非线性均衡器接收到经过模数转换的数字信号，(N+N2)/2个色散补偿模块CD对该数字信号依次进行长度为的光纤色散补偿，光纤分为N段，其中L为信号传输的光纤的总长度，N为分段数，得到N个经过不同程度色散补偿的信号(A1，A2，...，AN)；
N个非线性补偿模块对前面得到的N个信号A1、A2、…、AN进行非线性补偿的运算：A′i＝|Ai|2×Ai，i＝1,2,…，N，得到(A′1，A′2，...，A′N)，此处(A′1，A′2，...，A′N)为一个中间量，表示信号在光纤传输过程中非线性的强度；
对(A′1，A′2，...，A′N)进行剩余的色散补偿，具体操作为：对A′i进行长度为的色散，最终得到(A″1，A″2，...，A″N)，(A″1，A″2，...，A″N)为非线性均衡器N个支路的输出；
将(A″1，A″2，...，A″N)分别乘以均衡器的抽头系数，然后与完全补偿色散的信号AN相加，得到最佳抽头系数，作为均衡器的输出Aout；
将最佳抽头系数代入均衡器，得到最终输出。
3.如权利要求2所述的光纤通信系统中的自适应非线性均衡器，其特征在于：所述均衡器的抽头系数由自适应算法决定，自适应算法的流程为：
S401、设定一组非线性均衡的N个初始抽头系数(γ1，γ2，...，γN)0，代入均衡器，得到输出Aout0；
S402、在S401初始设定的抽头系数上增加一个微小的量，得到另外一组抽头系数(γ1，γ2，...，γN）1，将(γ1，γ2，...，γN)1代入均衡器，得到输出Aout1；
S403、计算Aout0和Aout1的代价函数，用CF(Aout0)和CF(Aout1)表示：CF(A)＝σ2(|A|2)，其中，σ2为方差，||为取模运算，此处A取Aout0或Aout1；
S404、计算代价函数的梯度：
其中，为代价函数CF的梯度；
S405、抽头系数更新，由一组抽头系数(γ1，γ2，...，γN)1推出新的抽头系数(γ1，γ2，...，γN)2：
其中u为步长；
S406、重复S403到S405的步骤，进行迭代，从(γ1，γ2，...，γN)2一直递推到(γ1，γ2，...，γN)N，直到满足以下条件，迭代终止：CF(AN)＜ε，其中，ε为设定的阈值，得到(γ1，γ2，...，γN)N；
S407、S406得到的(γ1，γ2，...，γN)N即为最佳抽头系数，将其回馈给自适应均衡器。
4.如权利要求3所述的光纤通信系统中的自适应非线性均衡器，其特征在于：步骤S402中，所述(γ1，γ2，...，γN)1的计算过程如下：
(γ1，γ2，...，γN)1＝(γ1，γ2，...，γN)0+δ，
上式中，(γ1，γ2，...，γN)0为初始设定的一组抽头系数，δ为一个比较小的数，在初始设定的一组抽头系数中每个系数分别加上δ，即得到(γ1，γ2，...，γN)1。
5.如权利要求1所述的光纤通信系统中的自适应非线性均衡器，其特征在于：所述光纤分为N段时，均匀分段，每段长度均为L/N；或者不均匀分段，即N段的长度不相同。
6.一种应用于权利要求1所述自适应非线性均衡器的光纤通信系统中的自适应非线性均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、自适应非线性均衡器接收到经过模数转换的数字信号，(N+N2)/2个色散补偿模块CD对该数字信号依次进行长度为的光纤色散补偿，光纤分为N段，其中L为信号传输的光纤的总长度，N为分段数，得到N个经过不同程度色散补偿的信号(A1，A2，...，AN)；
S2、N个非线性补偿模块对步骤S1得到的N个信号A1、A2、…、AN进行非线性补偿的运算：A′i＝|Ai|2×Ai，i＝1,2,…，N，得到(A′1，A′2，...，A′N)，此处(A′1，A′2，...，A′N)为一个中间量，表示信号在光纤传输过程中非线性的强度；
S3、对步骤S2得到的(A′1，A′2，...，A′N)进行剩余的色散补偿，具体操作为：对A′i进行长度为的色散，最终得到(A″1，A″2，...，A″N)，(A″1，A″2，...，A″N)为非线性均衡器N个支路的输出；
S4、将步骤S3得到的(A″1，A″2，...，A″N)分别乘以均衡器的抽头系数，然后与完全补偿色散的信号AN相加，得到均衡器的输出Aout；
S5、将步骤S4得到的最佳抽头系数代入均衡器，得到最终输出。
7.如权利要求6所述的光纤通信系统中的自适应非线性均衡方法，其特征在于：步骤S4中，均衡器的抽头系数由自适应算法决定，自适应算法的流程为：
S401、设定一组非线性均衡的N个初始抽头系数(γ1，γ2，...，γN)0，代入均衡器，得到输出Aout0；
S402、在S401初始设定的抽头系数上增加一个微小的量，得到另外一组抽头系数(γ1，γ2，...，γN)1，将(γ1，γ2，...，γN)1代入均衡器，得到输出Aout1；
S403、计算Aout0和Aout1的代价函数，用CF(Aout0)和CF(Aout1)表示：CF(A)＝σ2(|A|2)，其中，σ2为方差，||为取模运算，此处A取Aout0或Aout1；
S404、计算代价函数的梯度：
其中，为代价函数CF的梯度；
S405、抽头系数更新，由一组抽头系数(γ1，γ2，...，γN）1推出新的抽头系数(γ1，γ2，...，γN)2：
其中u为步长；
S406、重复S403到S405的步骤，进行迭代，从(γ1，γ2，...，γN)2一直递推到(γ1，γ2，...，γN)N，直到满足以下条件，迭代终止：CF(AN)＜ε，其中，ε为设定的阈值，得到(γ1，γ2，...，γN）N；
S407、S406得到的(γ1，γ2，...，γN)N即为最佳抽头系数，将其回馈给自适应均衡器。
8.如权利要求7所述的光纤通信系统中的自适应非线性均衡方法，其特征在于：步骤S402中，(γ1，γ2，...，γN)1的计算过程如下：
(γ1，γ2，...，γN)1＝(γ1，γ2，...，γN)0+δ，
上式中，(γ1，γ2，...，γN)0为初始设定的一组抽头系数，δ为一个比较小的数，在初始设定的一组抽头系数中每个系数分别加上δ，即得到(γ1，γ2，...，γN)1。
9.如权利要求6所述的光纤通信系统中的自适应非线性均衡方法，其特征在于：步骤S1中，光纤分为N段时，均匀分段，每段长度均为L/N；或者不均匀分段，即N段的长度不相同。
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